分子雜交技術的幾種常見的雜交
分子雜交是通過各種方法將核酸分子固定在固相支持物上，然後用放射性標記的探針與被固定的分子雜交，經顯影後顯示出目的DNA或RNA分子所處的位置。根據被測定的對象，分子雜交基本可分為以下幾大類：
(1) Southern雜交:DNA片段經電泳分離後,從凝膠中轉移到硝酸纖維素濾膜或尼龍膜上,然後與探針雜交。被檢對象為DNA,探針為DNA或RNA。
(2) Northern雜交:RNA片段經電泳後,從凝膠中轉移到硝酸纖維素濾膜上,然後用探針雜交。被檢對象為RNA,探針為DNA或RNA。
根據雜交所用的方法,另外還有斑點(dot)雜交、狹槽(slot)雜交和菌落原位雜交等。有3種固相支持體可用於雜交:硝酸纖維素濾膜、尼龍膜和Whatman 541濾紙。不同商標的尼龍膜需要進行不同的處理，在DNA固定和雜交的過程中要嚴格按生產廠家的說明書來進行。Whatman 541濾紙有很高的濕強度,最早用於篩選細菌菌落。該濾紙主要用於篩選壹些基因文庫。固定化DNA的雜交條件基本與使用硝酸纖維素濾膜時所建立的條件相同。Whatman 541濾紙與硝酸纖維素濾膜相比有壹些優點:它更便宜,雜交中更耐用,幹燥過程中不易變形和碎裂等。然而若變性過程不小心,雜交信號的強度會明顯弱於用硝酸纖維素濾膜時所得到的信號強度。因此,常規的細菌篩選和各種雜交時仍選用硝酸纖維素濾膜作為固相支持體。 Southern雜交可用來檢測經限制性內切酶切割後的DNA片段中是否存在與探針同源的序列,它包括下列步驟:
(1) 酶切DNA, 凝膠電泳分離各酶切片段,然後使DNA原位變性。
(2) 將DNA片段轉移到固體支持物(硝酸纖維素濾膜或尼龍膜)上。
(3) 預雜交濾膜,掩蓋濾膜上非特異性位點。
(4) 讓探針與同源DNA片段雜交,然後漂洗除去非特異性結合的探針。
(5) 通過顯影檢查目的DNA所在的位置。
Southern雜交能否檢出雜交信號取決於很多因素,包括目的DNA在總DNA中所占的比例、探針的大小和比活性、轉移到濾膜上的DNA量以及探針與目的DNA間的配對情況等。在最佳條件下,放射自顯影曝光數天後, Southern雜交能很靈敏地檢測出低於0.1pg與32 P標記的高比活性探針的(>109 cpm/μg)互補DNA。如果將10μg基因組DNA轉移到濾膜上，並與長度為幾百個核苷酸的探針雜交,曝光過夜,則可檢測出哺乳動物基因組中1kb大小的單拷貝序列。
將DNA從凝膠中轉移到固體支持物上的方法主要有3種:(1)毛細管轉移。本方法由Southern發明,故又稱為Southern轉移(或印跡)。毛細管轉移方法的優點是簡單,不需要用其他儀器。缺點是轉移時間較長,轉移後雜交信號較弱。(2)電泳轉移。將DNA變性後,可電泳轉移至帶電荷的尼龍膜上。該法的優點是不需要脫嘌呤/水解作用,可直接轉移較大的DNA片段。缺點是轉移中電流較大,溫度難以控制。通常只有當毛細管轉移和真空轉移無效時,才采用電泳轉移。(3) 真空轉移。有多種真空轉移的商品化儀器,它們壹般是將硝酸纖維素膜或尼龍膜放在真空室上面的多孔屏上,再將凝膠置於濾膜上,緩沖液從上面的壹個貯液槽中流下,洗脫出凝膠中的DNA,使其沈積在濾膜上。該法的優點是快速,在30分鐘內就能從正常厚度(4-5mm)和正常瓊脂糖濃度(<1%)的凝膠中定量地轉移出來。轉移後得到的雜交信號比Southern轉移強2-3倍。缺點是如不小心，會使凝膠碎裂, 並且在洗膜不嚴格時,其背景比毛細轉移要高。
1、材料： 待檢測的DNA，已標記好的探針。
2、設備： 電泳儀，電泳槽，塑料盆，真空烤箱，放射自顯影盒，X-光片，雜交袋，硝酸纖維素濾膜或尼龍膜，濾紙。
3、試劑：
(1)10mg/ml 溴化乙錠（EB）。
(2)50×Denhardt's溶液：5g Ficoll-40, 5g PVP, 5g BSA加水至500ml,過濾除菌後於-20℃儲存。
(3)1×BLOTTO:5g脫脂奶粉，0.02%疊氮鈉，儲於4℃。
(4)預雜交溶液:6×SSC, 5×Denhardt, 0.5% SDS, 100mg/ml鮭魚精子DNA, 50%甲酰胺。
(5)雜交溶液:預雜交溶液中加入變性探針即為雜交溶液。
(6)0.2mol/L HCl。
(7)0.1% SDS。
(8)0.4mol/L NaOH。
(9)變性溶液:87.75g NaCl, 20.0g NaOH加水至1000ml。
(10)中和溶液:175.5g NaCl, 6.7g Tris·Cl, 加水至1000ml。
(11)硝酸纖維素濾膜。
(12)20×SSC: 3mol/L NaCl, 0.3mol/L檸檬酸鈉,用1mol/L HCl調節pH至7.0;
(13)2×、1×、0.5×、0.25×和0.1×SSC:用20×SSC稀釋。
4、操作步驟：
(1) 約50μl體積中酶切10pg-10μg的DNA, 然後在瓊脂糖凝膠中電泳12-24小時(包括DNA分子量標準物)。
(2) 500ml水中加入25μl 10mg/ml溴化乙錠,將凝膠放置其中染色30分鐘, 然後照相。
(3) 依次用下列溶液處理凝膠,並輕微搖動: 500ml 0.2mol/L HCl 10分鐘, 傾去溶液(如果限制性片段>10kb, 酸處理時間為20分鐘)，用水清洗數次,傾去溶液; 500ml變性溶液兩次,每次15分鐘,傾去溶液; 500ml中和溶液30分鐘。如果使用尼龍膜雜交，本步可以省略。
(4) 戴上手套,在盤中加20×SSC液,將硝酸纖維素濾膜先用無菌水完全濕透,再用20×SSC浸泡。將硝酸纖維素濾膜壹次準確地蓋在凝膠上,去除氣泡。用浸過20×SSC液的3濾紙蓋住濾膜,然後加上幹的3濾紙和幹紙巾,根據DNA復雜程度轉移2-12小時。當使用尼龍膜雜交時，該膜用水浸潤壹次即可，轉移時用0.4mol/L NaOH代替20×SSC。簡單的印跡轉移2-3小時,對於基因組印跡,壹般需要較長時間的轉移。
(5) 去除紙巾等,用藍色圓珠筆在濾膜右上角記下轉移日期,做好記號,取出濾膜,在2×SSC中洗5分鐘,涼幹後在80℃中烘烤2小時。註意在使用尼龍膜雜交時，只能空氣幹燥，不得烘烤。
(6) 將濾膜放入含6-10ml預雜交液的密封小塑料袋中,將預雜交液加在袋的底部,前後擠壓小袋,使濾膜濕透。在壹定溫度下(壹般為37-42℃)預雜交3-12小時，棄去預雜交液。
(7) 制備同位素標記探針（參見第壹節），探針煮沸變性5分鐘。
(8) 在雜交液中加入探針,混勻。如步驟（6）將混合液註入密封塑料袋中,在與預雜交相同溫度下雜交6-12小時。
(9) 取出濾膜,依次用下列溶液處理,並輕輕搖動: 在室溫下, 1×SSC/0.1% SDS, 15分鐘, 兩次。 在雜交溫度下, 0.25×SSC/0.1% SDS, 15分鐘, 兩次。
(10) 空氣幹燥硝酸纖維素濾膜,然後在X光片上曝光。通常曝光1-2天後可見DNA譜帶。對於≥108 cpm/μg從缺口平移所得探針,可很容易地從10μg哺乳DNA中檢測到10pg的單拷貝基因。 Northern雜交與Southern雜交很相似。主要區別是被檢測對象為RNA,其電泳在變性條件下進行,以去除RNA中的二級結構,保證RNA完全按分子大小分離。變性電泳主要有3種:乙二醛變性電泳、甲醛變性電泳和羥甲基汞變性電泳。電泳後的瓊脂糖凝膠用與Southern轉移相同的方法將RNA轉移到硝酸纖維素濾膜上,然後與探針雜交。
1、材料：待檢測的RNA及制備好的探針。
2、設備：電泳儀，電泳槽，塑料盆，真空烤箱，放射自顯影盒，X-光片，雜交袋，硝酸纖維素膜或尼龍膜。
3、試劑：
(1)20×SSPE:175.3g NaCl, 88.2g檸檬酸鈉，溶於800ml水中，用10mol/LNaOH調pH至7.4，定溶到1L。
(2)其他試劑：與Southern雜交試劑類似，只是所有的試劑均應用DEPC處理。
4、操作步驟：
(1)RNA經變性電泳完畢後,可立即將乙醛酰RNA轉移至硝酸纖維素濾膜上。轉移方法與轉移DNA的方法相似。
(2)轉移完畢後 ,以6×SSC溶液於室溫浸泡此膜5分鐘,以除去瓊脂糖碎片。
(3)將該雜交膜夾於兩張濾紙中間,用真空烤箱於80℃幹燥0.5-2小時。
(4) 用下列兩種溶液之壹進行預雜交，時間為1-2小時。若於42℃進行,應采用: 50%甲酰胺，5×SSPE，2×Denhardt's試劑，0.1% SDS；若於68℃進行,應采用:6×SSC，2×Denhardt's試劑，0.1% SDS，（註意：BLOTTO不能用於Northern雜交）。
(5) 在預雜交液中加入變性的放射性標記探針,如欲檢測低豐度mRNA,所用探針的量至少為0.1μg,其放射性比活度應大於2×108 cpm/分·μg,放在適宜的溫度條件下雜交16-24小時。
(6) 用1×SSC、0.1% SDS於室溫洗膜20分鐘,隨後用0.2×SSC、0.1% SDS於68℃洗膜3次,每次20分鐘。
(7) 用X光片(Kodak XAR-2或與之相當的產品)進行放射自顯影,附加增感屏於-70℃曝光24-48小時。
[註意]
(1)如果瓊脂糖濃度高於1%，或凝膠厚度大於0.5cm，或待分析的RNA大於2.5kb,需用0.05mol/LNaOH浸泡凝膠20分鐘,部分水解RNA並提高轉移效率。浸泡後用經DEPC處理的水淋洗凝膠,並用20×SSC浸泡凝膠45分鐘。然後再轉移到濾膜上。
(2)在步驟(3)的操作中，如果濾膜上含有乙醛酰RNA,雜交前需用20mmol/L Tris·Cl (pH8.0)於65℃洗膜,以除去RNA上的乙二醛分子。
(3)RNA自凝膠轉移至尼龍膜所用方法，與RNA轉移至硝酸纖維素濾膜所用方法類似。
(4)含甲醛的凝膠在RNA轉移前需用經DEPC處理的水淋洗數次,以除去甲醛。當使用尼龍膜雜交時註意，有些帶正電荷的尼龍膜在堿性溶液中具有固著核酸的能力，需用7.5mmol/LNaOH溶液洗脫瓊脂糖中的乙醛酰RNA，同時可部分水解RNA，並提高較長RNA分子(>2.3kb)轉移的速度和效率。此外，堿可以除去mRNA分子的乙二醛加合物,免去固定後洗脫的步驟。乙醛酰RNA在堿性條件下轉移至帶正電荷尼龍膜的操作也按DNA轉移的方法進行，但轉移緩沖液為7.5mmol/LNaOH，轉移結束後(4.5-6.0小時)，尼龍膜需用2×SSC、0.1%SDS淋洗片刻、於室溫晾幹。
(5)尼龍膜的不足之處是背景較高,用RNA探針時尤為嚴重。將濾膜長時間置於高濃度的堿性溶液中,會導致雜交背景明顯升高,可通過提高預雜交和雜交步驟中有關阻斷試劑的量來予以解決。
(6)如用中性緩沖液進行RNA轉移,轉移結束後,將晾幹的尼龍膜夾在兩張濾紙中間,80℃幹烤0.5-2小時,或者254nm波長的紫外線照射尼龍膜帶RNA的壹面。後壹種方法較為繁瑣,但卻優先使用,因為某些批號的帶正電荷的尼龍膜經此處理後,雜交信號可以增強。然而為獲得最佳效果,務必確保尼龍膜不被過度照射，適度照射可促進RNA上小部分堿基與尼龍膜表面帶正電荷的胺基形成交聯結構,而過度照射卻使RNA上壹部分胸腺嘧啶***價結合於尼龍膜表面,導致雜交信號減弱。 對分散在若幹個瓊脂平板上的少數菌落（100-200）進行克隆篩選時，可采用本方法。將這些菌落歸並到壹個瓊脂主平板以及已置於第二個瓊脂平板表面的壹張硝酸纖維素濾膜上。經培養壹段時間後，對菌落進行原位裂解。主平板應貯存於4℃直至得到篩選結果。
1、材料：待檢測的細菌平皿，已標記好的探針，硝酸纖維素濾膜等。
2、設備：恒溫烤箱，恒溫水浴，臺式高速離心機等。
3、試劑：
(1)LB固體培養基。
(2)0.5mol/L NaOH。
(3)1mol/L Tris·Cl。
(4)1.5mol/L NaCl。
(5)0.5mol/L Tris·Cl。
(6)預洗液：5×SSC, 0.5%SDS, 1mmol/L EDTA (pH8.0)。
(7)預雜交液：50%甲酰胺，6×SSC（或6×SSPE），0.05×BLOTTO(甲酰胺可不用)。
(8)其余試劑：與Southern雜交相同。
4、操作步驟：
1. 將少數菌落轉移到硝酸纖維素濾膜上：
(1) 在含有選擇性抗生素的瓊脂平板上放壹張硝酸纖維素濾膜。
(2) 用無菌牙簽將各個菌落先轉移至濾膜上,再轉移至含有選擇性抗生素但未放濾膜的瓊脂主平板上。應按壹定的格子進行劃線接種(或打點)。每菌落應分別劃線於兩個平板的相同位置上。最後，在濾膜和主平板上同時劃壹個含有非重組質粒（如pBR322)的菌落。
(3) 倒置平板,於37℃培養至劃線的細菌菌落生長到0.5-1.0mm的寬度。
(4) 用已裝防水黑色繪圖墨水的註射器針頭穿透濾膜直至瓊脂,在3個以上的不對稱位置作標記。在主平板大致相同的位置上也作上標記。
(5) 用Parafilm膜封好主平板,倒置貯放於4℃,直至獲得雜交反應的結果。
(6) 裂解細菌,按本段下面所述方法,使釋放的DNA結合於硝酸纖維素濾膜。
2. 菌落的裂解及DNA結合於硝酸纖維素濾膜
(1) 在壹張保鮮膜上制作壹個裝有0.5mol/L NaOH的小窪(0.75ml),使菌落面朝上,將濾膜放到小窪上,展平保鮮膜,使濾膜均勻濕潤,讓濾膜留於原處2-3分鐘。
(2) 用幹紙巾從濾膜的下方吸幹濾膜,用壹張新的保鮮膜和新配制的0.5mol/L NaOH重復步驟(1)。
(3) 吸幹濾膜,將濾膜轉移到新的帶有1mol/L Tris·Cl(pH7.4)的保鮮膜窪上。5分鐘後吸幹濾膜, 再重復壹次該步驟。
(4) 吸幹濾膜,把它轉移到有1.5mol/L NaCl、0.5mol/L Tris·Cl (pH7.4)的保鮮膜小窪上5分鐘後吸幹濾膜,轉移到壹張幹的濾紙上,置於室溫20-30分鐘,使濾膜幹燥。
(5) 將濾膜夾在兩張幹的濾紙之間,在真空烤箱中於80℃幹烤2小時,固定DNA。
(6) 將固定在膜上的DNA與32 P標記的探針雜交。
5.雜交
(1) 盛有2×SSC的塑料盤同，將幹烤的濾膜飄浮在液面上,徹底浸濕5分鐘。
(2) 將濾膜轉到200ml預洗液的玻璃皿中。濾膜何疊在壹起,放於溶液中。用保鮮膜蓋住玻璃皿,放到位於培養箱內的旋轉平臺上。於50℃處理30分鐘。在這壹步及以後的所有步驟中,應緩緩搖動濾膜,防止它們粘在壹起。
(3) 用泡過預洗液的吸水棉紙輕輕地從膜表面拭去細菌碎片,以降低雜交背景而不影響陽性雜交信號的強度和清晰度。
(4) 將濾膜轉到盛有150ml預雜交液的玻璃中,在適宜溫度(即在水溶液中雜交時用68℃，而在50%甲酰胺中雜交時用42℃)下,預雜交1-2小時。
(5) 將32 P標記的雙鏈DNA探針於100℃加熱5分鐘,迅速置於冰浴中。單鏈探針不必變性。將探針加到雜交袋中雜交過夜。雜交期間，盛濾膜的容器應蓋嚴，以防液體蒸發。
(6) 雜交結束後,去除雜交液,立即於室溫把濾膜放入大體積(300-500ml)的2×SSC和0.1% SDS溶液中,輕輕振搖5分鐘，並將濾膜至少翻轉壹次。重復洗 壹次，同時應避免膜幹涸。
(7)68℃用300-500ml 1×SSC和0.1% SDS溶液洗膜兩次,每次1-1.5小時。此時已可進行放射自顯影。如背景很高或實驗要求嚴格的洗膜條件,可用300-500ml 0.2×SSC和0.1% SDS的溶液於68℃將濾膜浸泡60分鐘。
(8) 把濾膜放在紙巾上於室溫晾幹後,把濾膜(編號面朝上)放在壹張保鮮膜上,並在保鮮膜上作幾個不對稱的標記,以使濾膜與放射性自顯影片位置對應。
(9) 用第二張保鮮膜蓋住濾膜。加X光片並加上增感屏於-70℃曝光12-16小時。
(10) 底片顯影後,在底片上貼壹張透明硬紙片。在紙上標記陽性雜交信號的位置,同時在不對稱分布點的位置上作出標記。可從底片上取下透明紙,通過對比紙上的點與瓊脂上的點來鑒定陽性菌落。 斑點雜交是指將DNA或RNA樣品直接點在硝酸纖維素濾膜上,然後與核酸探針分子雜交，以顯示樣品中是否存在特異的DNA或RNA。同壹種樣品經不同倍數的稀釋,還可以得到半定量的結果。所以它是壹種簡便、快速、經濟的分析DNA或RNA的方法,在基因分析和基因診斷中經常用到,是研究基因表達的有力工具。但由於目的序列未與非目的序列分離,不能了解目的序列的長度。尤其當本底幹擾較高時,難以區分目的序列信號和幹擾信號。
1、材料：待分析的DNA或RNA樣品，已標記的探針。
2、設備：狹槽點樣器，真空泵，恒溫水浴，真空烤箱等。
3、試劑：
（1）100% 甲酰胺。
（2）甲醛(37%)。
（3） 20×SSC。
（4）0.1mol/L NaOH。
（5）硝酸纖維素濾膜。
（6）濾紙。
4、操作步驟：
(1) 10μl樣品與20μl 100%甲酰胺、 7μl 37%甲醛、2μl 20×SSC混合。混合置於68℃，15分鐘後置冰浴中。
(2) 用0.1mol/L NaOH清洗點樣器,再用無菌水充分沖洗。將壹張經20×SSC浸潤的濾紙鋪在點樣器上,上面再鋪上壹張經20×SSC浸潤1小時的硝酸纖維素濾膜，加蓋並夾緊，接通真空泵。
(3) 用10×SSC清洗各樣孔。在每壹樣品中加兩倍體積的2×SSC,混合後加樣於孔中。外圍幾個孔中加2μl染料定位,緩慢抽吸。每孔用1ml 10×SSC清洗兩次。繼續抽吸5分鐘,吸幹濾膜。
(4) 取出濾膜,夾在兩張濾紙中間, 80℃真空烘幹2小時。按上述Southern或Norhtern雜交所述的方法與放射性標記探針雜交。
[註意]
1、在放射自顯影時應註意濾膜必須幹燥，並覆蓋上保鮮膜，否則，濾膜將與X-光片粘在壹起，使以後的操作困難。
2、在雜交過程中，整個濾膜應壹直是濕潤的，不得幹涸。
第三節 雜交反應的條件及參數的優化
不同的反應條件對雜交結果的影響如下：
(1) 根據雜交液的體積確定雜交的時間：壹般來說使用較小體積的雜交液比較好，因為在小體積溶液中，核酸重新配對的速度快、探針用量少，從而使濾膜上的DNA在反應中起主要作用。但在雜交中必須保證有足夠的雜交溶液覆蓋雜交膜。
(2) 根據所用的雜交溶液確定雜交的溫度：壹般來說，雜交相為水溶液時,則在68℃雜交,而在50%甲酰胺溶液中時,則在42℃下雜交。
(3) 選用不同的封閉試劑：如Denhardt's試劑、肝素或壹種由5%脫脂奶粉組成的BLOTTO, 這些試劑中需加入斷裂的鮭魚精子DNA或酵母DNA，並和SDS壹起使用。與Denhardt's試劑相比, BLOTTO價格便宜,使用方便,同樣可獲得滿意的結果，但它不能用於RNA雜交。壹般而言,尼龍膜用Denhardt's試劑比用BLOTTO能得到更高的信噪比。對硝酸纖維素濾膜而言,通常在預雜交溶液和雜交溶液中都含有封閉劑。但是對尼龍膜，經常從雜交溶液中省去封閉劑，因為高濃度的蛋白質會幹擾探針和目的基因的退火。
(4)根據需要在雜交過程中選用不同的振蕩方法和程度,許多雜交膜壹起反應時,連續的輕微振蕩可獲得較好的雜交結果。
(5) 在雜交過程中加入其他化合物, 如反應體系中加入10%硫酸葡聚糖或10% PEG, 雜交速度可增加約10倍。檢測稀有序列時常用該方法，但它們有時會導致本底較高，並由於溶液的粘稠性而使操作困難。因此，除非在濾膜上含有的目的DNA量很少,或放射性探針的量有限, 壹般不用硫酸葡聚糖或PEG。
(6) 根據探針與被檢測目標之間的同源程度選擇清洗的程度,如具有很高的同源性可選用嚴緊型洗脫方式（高濃度SSC）, 反之則選用非嚴緊型洗脫方式（低濃度SSC）。洗脫通常在低於雜交體解鏈溫度12-20℃的條件下進行。解鏈溫度(melting temperature, Tm )是指在雙鏈DNA或RNA分子變性形成分開的單鏈時光吸收度增加的中點處溫度。通常富含G·C堿基對的序列比富含A·T堿基對序列的Tm 溫度高。有關Tm的計算方法，請參考第八章。
(7) 根據標記探針的濃度及其比活性,選擇不同的雜交條件及檢測方法。壹般使用新的同位素可獲得較強的信號。
(8) 在水溶液中雜交時,用6×SSC或6×SSPE溶液的效果都壹樣。但在甲酰胺溶液中雜交時,應該用具有更強緩沖能力的6×SSPE。
上述這些條件的改變，對雜交的結果有不同的影響，應根據研究的具體情況，選用適當的方法。